有限元分析揭示单平面螺钉在胸腰椎骨折微创经皮固定中的生物力学优势

本研究通过有限元分析对比单平面螺钉(UPS)、单轴螺钉(MPS)和多轴螺钉(PPS)固定胸腰椎骨折的生物力学特性。结果显示UPS组在屈伸、侧弯运动中活动度(ROM)最低(屈曲53.0%，伸展13.9%)，螺钉峰值应力(406MPa)显著低于MPS组(455MPa)，兼具操作便利性与稳定性，为微创经皮固定提供了优化方案。

　　

胸腰椎骨折是交通和建筑事故中最常见的脊柱损伤，约占全部脊柱骨折的60%。这类骨折多发生在胸腰段(T₁₁-L₂)这一力学脆弱区，严重影响患者生活质量。传统开放手术虽能有效固定，但存在创伤大、肌肉萎缩等并发症。随着微创理念的普及，经皮椎弓根螺钉固定技术因创伤小、恢复快成为临床新选择。然而，目前主流的微创多轴螺钉(PPS)存在抗弯曲强度不足、复位效果差等问题，亟需寻找更优化的内固定方案。

安徽某高校团队通过有限元分析，首次系统比较了单平面螺钉(UPS)、单轴螺钉(MPS)和多轴螺钉(PPS)固定胸腰椎A3.1型爆裂骨折的生物力学表现。研究发现UPS组在屈伸、侧弯运动中的活动度(ROM)最低(屈曲53.0%，伸展13.9%)，旋转运动中的ROM(40.2%)介于MPS和PPS之间，展现出最佳稳定性。应力分析显示UPS螺钉峰值应力(406MPa)显著低于MPS组(455MPa)，且应力分布更均匀，有效降低了断钉风险。这项发表于《European Journal of Medical Research》的研究，为微创胸腰椎骨折固定提供了循证依据。

研究采用健康志愿者T₁₂-L₂节段CT数据，通过Mimics17.0和SolidWorks2017构建正常脊柱和A3.1型骨折模型。基于AO分型标准，切除L₁椎体前下40%模拟不稳定骨折。分别建立MPS(4螺钉)、PPS(6螺钉)和UPS(6螺钉)固定模型，在Ansys19.0中施加150N轴向载荷和10N·m扭矩，模拟脊柱六向运动。记录各模型活动度(ROM)和螺钉/连接棒应力分布。

模型验证结果
建立的T₁₂-L₂正常脊柱模型ROM数据与文献高度吻合(T₁₂-L₁屈曲4.13°，伸展3.66°)，验证了模型可靠性。

活动度分析
所有固定模型均显著降低脊柱活动度。UPS组表现最优：屈伸和侧弯ROM百分比最低(屈曲53.0%，左弯29.2%)，旋转稳定性居中(左旋40.2%)；PPS组在所有运动中ROM最高(屈曲76.5%，左旋52.6%)，稳定性最差。

应力分布特征
所有模型中最大von Mises应力均出现在屈曲状态。MPS组螺钉应力峰值最高(455MPa)，集中在钉-棒连接处；UPS组应力分布更均匀(406MPa)；PPS组连接棒应力最低(352MPa)，但以牺牲稳定性为代价。

研究证实单平面螺钉(UPS)兼具多轴螺钉的操作便利性和单轴螺钉的力学优势。其独特的单平面摆动设计(-25°~+25°)既能简化经皮置棒操作，又能有效维持椎体高度。有限元分析显示UPS在保证固定稳定性的同时，通过优化应力分布降低了62.5%的断钉风险。该发现为临床选择微创内固定方案提供了重要参考，特别适用于需要早期活动的年轻患者。值得注意的是，UPS在旋转稳定性上仍有提升空间，未来可通过改进螺钉几何参数或联合前路手术进一步增强固定效果。这项研究开创性地将有限元分析应用于新型螺钉评价，为脊柱内固定器械研发提供了可靠的研究范式。